Kärnan på vår planet är järn. Men nu blir forskare bättre på att förstå vad mer snurrar i en bubbelpool mitt på jorden.
Hjärtslag på vår planet är fortfarande ett mysterium för forskare som försöker ta reda på hur jorden bildades och vad som gick in i dess skapelse. I en nyligen genomförd studie kunde de återskapa det kraftfulla trycket i mitten av vår planet, så att forskare kunde skymta dess tidiga existens och till och med förstå hur jordens kärna kan se ut nu.
De rapporterade sin upptäckt i det senaste numret av Science. "Om vi räknar ut vilka element som utgör kärnan kan vi bättre förstå de förhållanden under vilka jorden bildades, vilket i sin tur kommer att ge oss mer information om solsystemets tidiga historia", säger geokemisten Anat Shahar, baserad i Washington. vid Carnegie Institute of Science. Det gör det också möjligt för forskare att få insikt i hur andra steniga planeter bildades i vårt solsystem och därefter.
Jorden bildades för cirka 4,6 miljarder år sedan av otaliga kollisioner av fasta ämnen som sträckte sig i storlek från Mars till en liten asteroid. När massan på den tidiga jorden ökade ökade dess inre tryck och temperatur.
Detta påverkade hur järn, som utgör det mesta av jordens kärna, reagerade kemiskt med lättare element som väte, syre och kol, liksom tyngre metaller som separerade från manteln och hamnade i jordens inre. Manteln är ett lager direkt under jordskorpan, och rörelsen av smält sten i detta område sätter tektoniska plattor i rörelse.
Forskare har länge insett att temperaturförändringar kan påverka i vilken utsträckning en isotop av ett element som järn blir en del av kärnan. Denna process kallas isotopfraktionering.
Hittills har dock tryck inte ansetts vara en kritisk variabel som påverkar denna process. "På 60- och 70-talet genomfördes experiment för att leta efter konsekvenserna av ett sådant tryck, men forskarna hittade ingenting", säger Shahar. "Men nu vet vi att det tryck som de genomförde experimenten (ungefär två gigapascal) inte var tillräckligt kraftfullt."
År 2009 publicerade ett annat forskargrupp en uppsats där de föreslog att trycket skulle kunna påverka de element som kom in i jordens kärna. Därför bestämde Shahar och hennes team att ompröva dess effekter med hjälp av utrustning som skapar tryck upp till 40 gigapascal. Detta är mycket närmare 60 gigapascal, vilket forskare anser genomsnittet under jordens tidiga bildning.
Kampanjvideo:
I experiment som utfördes på en avancerad fotonkälla vid Carnegie-institutionen i Washington placerade forskarna små järnprover blandade med väte, kol och syre mellan två diamanter. Sedan skjuts planen med denna diamantskruv ihop, vilket skapade ett enormt tryck.
Därefter bombades de konverterade järnproverna med röntgen med hög energi. "Vi använder röntgenstrålar för att testa vibrationsegenskaperna hos järnfaserna", säger Shahar. De olika vibrationsfrekvenserna indikerar vilka isotoper av järn som är bland proverna.
Forskare har funnit att ett sådant kraftfullt tryck verkligen påverkar isotopfraktionering. I synnerhet fann forskargruppen att reaktionen mellan järn och väte eller kol, som borde finnas i kärnan, borde lämna ett karakteristiskt spår i mantelstenen. Men det var inte möjligt att hitta ett sådant spår.
"Därför tror vi att väte och kol inte är de viktigaste ljuselementen i kärnan," sade Shahar.
Men kombinationen av järn och syre kunde inte lämna spår i manteln, som forskarnas experiment visade. Därför är det möjligt att syre kan bli ett av de lättaste elementen i sammansättningen av jordens kärna.
Dessa resultat stöder hypotesen att syre och kisel utgör grunden för ljuselement upplösta i jordens kärna, säger Joseph O'Rourke, en geofysiker vid California Institute of Technology i Pasadena, som inte var inblandad i studien.
"Syre och kisel finns rikligt i manteln, och vi vet att de löses upp i järn vid hög temperatur och högt tryck", sa han. "Eftersom syre och kisel garanterat är i kärnan har andra kandidater som väte och kol liten chans."
Shahar sa att hennes team avser att upprepa experimentet med kisel och svavel, som kan vara en del av kärnan. Nu när de har visat att tryck kan påverka fraktionering, vill detta team titta på effekten av tryck och temperatur i kombination. De tror att resultaten kan skilja sig från när tryck och temperatur används ensamma.”Vi genomförde våra experiment på fasta järnprover vid rumstemperatur. Men när kärnan bildades var allt i smält tillstånd, säger Shahar.
Resultaten från dessa experiment kan vara relevanta för planeter utanför vårt solsystem, säger forskare. "Faktum är att vi bara ser ytan eller atmosfären på exoplaneter," sade Shahar. - Men hur påverkar deras inre del det som händer på ytan? Svaret på denna fråga kommer att påverka huruvida det finns liv på denna planet."